Allgemeine Probleme der Wissenschaftsphilosophie

Struktur des wissenschaftlichen Wissens und Dynamik seiner Entwicklung

Typen der Erkenntnisverfahren. Struktur empirischen und theoretischen Wissens

In der modernen Wissenschaft existieren zwei Ebenen der Organisation von Wissen: die empirische und die theoretische. Ihnen entsprechen unterschiedliche Typen von Erkenntnisverfahren, durch die dieses Wissen hervorgebracht wird.

Der Gegenstand empirischer Forschung gründet sich auf die unmittelbare praktische Wechselwirkung des Forschers mit dem zu untersuchenden Objekt.

In der theoretischen Forschung fehlt diese direkte praktische Interaktion mit dem Objekt. Auf dieser Ebene kann es nur mittelbar, in einem Gedankenexperiment, untersucht werden. In realen Experimenten hingegen werden die logischen Folgerungen der Theorie überprüft.

Die Mittel empirischer und theoretischer Forschung sowie ihre Sprache haben ihre eigene Spezifik. Schon auf der Ebene des empirischen Erkennens erscheinen reale Objekte in der Gestalt idealer Objekte mit einem streng festgelegten und begrenzten Merkmalssatz. Empirische Objekte der Wissenschaft sind Abstraktionen, die aus der Wirklichkeit eine bestimmte Menge von Eigenschaften realer Dinge oder ihrer Relationen in einer konkreten Erkenntnissituation herausheben.

Theoretische, idealisierte Objekte der Wissenschaft hingegen sind nicht nur mit denjenigen Merkmalen ausgestattet, die wir in der Erfahrung auffinden können, sondern auch mit solchen, die in keinem realen Objekt vorkommen. So wird beispielsweise der materielle Punkt als ein Körper definiert, der keine Ausdehnung besitzt, aber die gesamte Masse des Körpers in sich konzentriert. Solche Körper existieren in der Natur nicht. Sie entstehen durch gedankliche Konstruktion, indem wir uns von unwesentlichen (in dieser oder jener Hinsicht) Zusammenhängen und Eigenschaften des Gegenstands absehen und ein ideales Objekt schaffen, das nur die wesentlichen Beziehungen trägt. In der Realität lässt sich das Wesen nicht vom Erscheinungsbild trennen; das eine zeigt sich durch das andere. Aufgabe der theoretischen Forschung ist die Erkenntnis des Wesens in reiner Form. Die Einführung abstrakter, idealisierter Objekte in die Theorie ermöglicht es, dieser Aufgabe näherzukommen.

Die Methoden empirischer und theoretischer Erkenntnis unterscheiden sich erheblich. Auf der empirischen Ebene sind die Hauptmethoden das reale Experiment und die reale Beobachtung. Sie werden ergänzt durch Methoden empirischer Beschreibung, die auf die größtmögliche Befreiung der untersuchten Phänomene von subjektiven Überlagerungen abzielen.

In der theoretischen Forschung kommen folgende Methoden zum Einsatz: die Methode der Idealisierung (der Aufbau idealisierter Objekte); das Gedankenexperiment mit solchen Objekten, das gleichsam das reale Experiment mit realen Objekten ersetzt; besondere Methoden des Theorienaufbaus (das Aufsteigen vom Abstrakten zum Konkreten, die axiomatische und die hypothetisch-deduktive Methode); schließlich auch Methoden der logischen und historischen Untersuchung.

Empirische und theoretische Erkenntnisebenen unterscheiden sich in Gegenstand, Mitteln und Methoden der Forschung, stehen aber im Prozess wissenschaftlicher Erkenntnis stets in Wechselwirkung.

Die Struktur empirischen Wissens

Empirisches Wissen wird in der Erfahrung gewonnen – im direkten oder mittelbaren (durch Instrumente vermittelten) Kontakt des Forschers mit den außerhalb seines Bewusstseins existierenden Objekten. Es entsteht im Prozess der Untersuchung realer Objekte, wird jedoch als Wissen über abstrakte Objekte gedeutet. Dies verleiht dem empirischen Wissen einen allgemeinen Charakter und ermöglicht es, es auf reale Objekte als „Spezialfälle“ des abstrakten Objekts anzuwenden – wie etwa die Gesetze des idealen Gases in der Physik. Das Erkennen auf empirischer Ebene verläuft somit vom konkreten realen Objekt zum Abstrakten und von diesem wieder zu einer Vielzahl konkreter realer Objekte.

Die Hauptaufgabe der empirischen Erkenntnis ist die Gewinnung wissenschaftlicher Fakten. Die zentralen empirischen Methoden sind Beobachtung und Experiment.

Wissenschaftliche Beobachtung ist die zielgerichtete und speziell organisierte Wahrnehmung von Erscheinungen. Ihre Durchführung erfordert entsprechende Vorbereitung – das Sammeln von Vorinformationen über die zu beobachtenden Phänomene, die Auswahl und Zusammenstellung der Instrumente usw. Die wichtigste Forderung an die wissenschaftliche Beobachtung ist Objektivität, die Genauigkeit der von ihr gelieferten Daten.

Beobachtungen müssen so durchgeführt werden, dass das Eingreifen des Beobachters das Bild der untersuchten Phänomene nicht verfälscht. Doch kann ein solches Eingreifen selbst zu einem wirksamen Erkenntnismittel werden, wenn einerseits der Einfluss des Forschers auf das Objekt und andererseits die durch diesen Einfluss hervorgerufenen Veränderungen im Objekt streng erfasst werden. Beobachtungen dieser Art werden zu einem Bestandteil einer anderen, komplexeren Methode empirischer Erkenntnis – des Experiments.

Das Experiment ist eine kontrollierte und gesteuerte Einwirkung auf das zu untersuchende Objekt, um Informationen über es zu gewinnen. In ihm verbindet sich die Erkenntnistätigkeit mit der praktischen Tätigkeit. Dabei wird eine Vielzahl materieller Mittel eingesetzt: Vorrichtungen, die die untersuchten Erscheinungen hervorrufen und deren Veränderung bedingen; isolierende Geräte usw. Je nach Ziel des Experimentators unterscheidet man Mess-, Prüf-, Such- und Kontroll-Experimente.

Das Ergebnis von Beobachtungen und Experimenten – ebenso wie der Einsatz anderer empirischer Methoden (Sammlung geologischer Proben, archäologische Ausgrabungen, Studium historischer Dokumente, soziologische Befragungen, Fragebögen usw.) – muss die Feststellung wissenschaftlicher Fakten sein.

Die in einer einzelnen Beobachtung oder in einem Experiment gewonnenen Daten sind noch keine wissenschaftlichen Fakten. Um den Einfluss von Zufälligkeiten und möglichen Fehlern zu minimieren, werden Beobachtungen und Experimente mehrfach wiederholt und ihre Ergebnisse einer mathematischen (statistischen) Verarbeitung unterzogen. Erst danach werden sie zu verlässlichen wissenschaftlichen Fakten.

In der Wissenschaftsphilosophie befindet sich der Begriff „wissenschaftlicher Fakt“ noch im Prozess der Reflexion und kann in unterschiedlichen Bedeutungen und Kontexten verwendet werden. Der Begriff „Fakt“ kann als Synonym für „Wahrheit“ dienen, zum Beispiel: „Die Summe der Winkel eines Dreiecks beträgt zwei rechte Winkel.“ Ein Fakt bezeichnet ein bestimmtes Ereignis, beispielsweise: „Napoleon Bonaparte wurde am 15. August 1769 geboren“ – dies ist ein historischer Fakt, unabhängig vom erkennenden Subjekt.

In der Erkenntnistheorie wird als Fakt eine empirische Aussage, ein Urteil über ein Ereignis verstanden. Ein Fakt ist nicht das Ereignis selbst, sondern die Behauptung über das Ereignis, die Beschreibung des Ereignisses. Die Menge der Ereignisse ist größer als die Menge der Fakten. Ein Ereignis wird zum Fakt, wenn es in den Bereich menschlicher Erkenntnis gelangt.

Es gibt auch andere Interpretationen des Begriffs „Fakt“. So wird vorgeschlagen, einen Fakt als Handlung, Geschehen oder Ereignis zu betrachten, das sich auf die Vergangenheit oder die gegenwärtige, noch andauernde Realität bezieht, aber niemals auf die Zukunft; als etwas Konkretes und Einzigartiges im Gegensatz zu Abstraktem und Allgemeinem; als etwas Reales, nicht Erfundenes, im Gegensatz zu Fantasie oder Erfindung.

Gemeinsam für diese Überlegungen ist folgender Schluss: Wissenschaftliche Fakten sind begründete Aussagen, hinter denen Wissen steht, das durch Beobachtungsdaten und Experimente bestätigt und im Lichte bestimmter theoretischer Annahmen interpretiert wird. Was als Fakt gilt und wie er verstanden wird, hängt von der Theorie ab, in deren Rahmen die empirischen Daten interpretiert werden. Empirische Fakten sind stets theoretisch geprägt.

Durch das Sammeln von Fakten und deren Systematisierung, Klassifizierung und Verallgemeinerung entdecken Wissenschaftler Abhängigkeiten zwischen ihnen – empirische Gesetze oder Regelmäßigkeiten. Die Gesamtheit empirischer Gesetze, die sich auf ein bestimmtes Phänomengebiet beziehen, wird manchmal als phänomenologische Theorie dieser Erscheinungen bezeichnet. Eine solche Theorie bleibt jedoch innerhalb der empirischen Beschreibung von Phänomenen und erklärt nicht deren Wesen. So erklären empirische Gesetze der thermischen Ausdehnung weder den Mechanismus dieses Phänomens noch den linearen Charakter der Abhängigkeit des Volumens von der Temperatur.

Struktur theoretischen Wissens

Die Erklärung gefundener empirischer Fakten und Regelmäßigkeiten erfordert den Übergang auf eine höhere, theoretische Ebene wissenschaftlicher Erkenntnis. Der Theoretiker arbeitet nicht mit den Objekten selbst, sondern mit ihren gedanklichen Abbildungen. Seine materiellen Arbeitsmittel sind nicht Instrumente oder Prüfstände, sondern lediglich Bleistift und Papier – heutzutage ergänzt durch den Computer.

Es wird angenommen, dass die Kosten für die Entwicklung theoretischer Forschung um zwei Größenordnungen geringer sind als die für empirische Forschung. Ein besonderes Kennzeichen theoretischen Wissens ist die Schaffung idealer Objekte, die das Wesen empirisch beobachtbarer Phänomene offenbaren. Im Prozess theoretischen Erkennens werden die idealen Objekte auf verschiedene Weise kombiniert und zu gedanklichen Konstruktionen zusammengefügt, die gedankliche Modelle der zu untersuchenden Phänomene darstellen.

Theoretische Forschung, die darauf abzielt, empirische Fakten und Gesetzmäßigkeiten zu erklären, kann auf zwei Wegen voranschreiten.

Der erste Weg ist die nicht-fundamentale theoretische Forschung, deren Ziel es ist, eine Erklärung für empirische Fakten und Gesetzmäßigkeiten innerhalb bereits existierender wissenschaftlicher Theorien zu finden. Dies kann eine Weiterentwicklung der Theorien, die Einbeziehung neuer Ideen oder die Erweiterung ihres Gegenstandsbereichs erfordern. Wenn jedoch auf diesem Weg kein Erfolg erzielt wird, muss der zweite Weg eingeschlagen werden – der Weg der fundamentalen theoretischen Forschung, der mit der Entwicklung einer prinzipiell neuen wissenschaftlichen Theorie verbunden ist.

Prinzipiell neues theoretisches Wissen kann weder durch induktive Verallgemeinerung empirischer Fakten noch durch deduktive Ableitung aus altem theoretischem Wissen gewonnen werden. Nach Einstein sind die Ausgangsideen, Konzepte und Prinzipien einer neuen Theorie Produkte von „Erfindung“ und „Vermutung“. Sie entstehen als „freie Schöpfungen des Geistes“. „Eine Theorie kann am Experiment überprüft werden, aber es gibt keinen direkten Weg vom Experiment zur Theorie“; zu den grundlegenden Gesetzen der neuen Theorie „führt nicht der logische Weg, sondern nur Intuition, die auf das Eindringen in die Essenz der Erfahrung gründet“.

Die ersten Schritte zu einer neuen Theorie sind mit der Suche nach neuen theoretischen Modellen der untersuchten Phänomene verbunden. Die Schaffung eines theoretischen Modells erfolgt gedanklich, auf der Grundlage freier Vorstellungskraft. Der Wissenschaftler erfindet verschiedene Varianten solcher Modelle und wählt diejenigen aus, die ihm am besten geeignet erscheinen, die empirischen Daten zu erklären.

Wichtige Hilfsmittel sind dabei gedankliche Experimente – die theoretische Untersuchung eines Modells und seines „Verhaltens“ unter verschiedenen hypothetischen Bedingungen. Die Untersuchung theoretischer Modelle in gedanklichen Experimenten ermöglicht die Formulierung von Begriffen und Prinzipien, die die Eigenschaften dieser Modelle widerspiegeln.

Galileo war einer der ersten, der das gedankliche Experiment nutzte. Indem er sich eine ideale Kugel vorstellte, die auf einer ideal glatten Ebene rollt, kam er zu dem Schluss, dass, wenn die Ebene exakt horizontal ist, keine Kraft existiert, die die Kugel zum Stillstand bringt. Dieser Schluss wurde später von Newton als Trägheitsprinzip formuliert – eines der fundamentalen Prinzipien der Mechanik. Einstein nutzte bei der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie ebenfalls gedankliche Experimente, bei denen er eine Aufzugskabine im Weltraum betrachtete. Ein Beobachter im Aufzug konnte nicht erkennen, ob die Kraft, die den Körper auf den Boden drückt, durch Gravitation oder durch die Beschleunigung der Kabine nach oben verursacht wird. Dies ermöglichte Einstein die Formulierung des Prinzips der Äquivalenz von gravitativer und träger Masse.

Die gedanklich gefundenen Begriffe und Prinzipien bilden das Fundament der neuen Theorie. Um jedoch auf diesem Fundament ein vollständiges theoretisches Gebäude zu errichten, muss man aus der Welt der Vorstellungskraft und Fantasie in die Welt der „eisernen Logik“ und der „hartnäckigen Fakten“ zurückkehren, in der die Ergebnisse von Intuition und gedanklichen Experimenten überprüft und fundiert werden. Aus den Grundprinzipien der Theorie müssen logische Konsequenzen abgeleitet und ein System von Begriffen entwickelt werden, das den Inhalt der Theorie bildet. Die formulierten Aussagen – theoretische Gesetze – sollen bekannte Fakten und Gesetzmäßigkeiten erklären und neue vorhersagen.

Eine Theorie ist ein logisch geordnetes System von Wissen über bestimmte Phänomene, in dem deren gedankliche Modelle konstruiert und Gesetze formuliert werden, die beobachtete Fakten und Gesetzmäßigkeiten erklären und vorhersagen.

Die Theorie reflektiert die Wirklichkeit nur vermittelt: Gedankliche Modelle fungieren als Bindeglied zwischen Theorie und Realität. Theoretische Modelle beruhen stets auf Vereinfachung, Schematisierung und Idealisierung der Realität, weshalb eine Theorie die Wirklichkeit nur in vereinfachter, schematisierter und idealisierter Form abbildet. Theoretische Gesetze beschreiben die Eigenschaften idealer Objekte. Um theoretische Gesetze auf reale Objekte anzuwenden, müssen entsprechende theoretische Modelle für sie konstruiert werden.

Die logische Entfaltung und Systematisierung des Inhalts einer Theorie erfolgt in den verschiedenen Wissenschaften unterschiedlich. In der Mathematik, seit den Zeiten Euklids, entwickelt sich die axiomatische Methode der Theoriebildung. Ihr Kern besteht darin, dass erstens die Ausgangsannahmen der Theorie als nicht zu beweisende Aussagen – Axiome – akzeptiert werden; zweitens alle weiteren Aussagen der Theorie logisch aus den Axiomen nach den Regeln der Deduktion abgeleitet werden; und drittens alle Begriffe der Theorie über die undefinierten Begriffe bestimmt werden, die in den Axiomen erscheinen.

Der axiomatische Aufbau verleiht der Theorie logische Strenge, Klarheit und Präzision. Besonders streng wird der Aufbau, wenn zusätzlich zu den drei genannten Bedingungen die genauen Regeln des logischen Schließens definiert werden und die Theorie formalisiert wird.

Formalisation ist die Methode, eine Theorie in einer speziellen Sprache mit strikt festgelegter Syntax darzustellen. Die Sprache wird durch einen Satz von Ausgangssymbolen sowie Regeln zur Bildung sprachlicher Ausdrücke (Formeln) und Regeln für Operationen – den Übergang von einer Formel zu einer anderen – eingeführt. Eine in formalisierter Sprache dargestellte Theorie wird zu einem formalen System. In einem solchen System werden inhaltliche Überlegungen, die auf dem Verständnis von Begriffen beruhen, durch formale Operationen mit Zeichen nach festen Regeln ersetzt. Dies ermöglicht es, Denkprozesse auf klar definierte Algorithmen zu reduzieren, sie zu programmieren und einem Computer zur Durchführung zu überlassen. Um eine formalisierte Theorie auf die Beschreibung von Objekten anzuwenden, muss ihre Semantik (die Bedeutung ihrer sprachlichen Ausdrücke und die Regeln zu deren Bestimmung) festgelegt werden. Die Interpretation der formalisierten Theorie gemäß diesen Semantikregeln verwandelt sie in eine inhaltliche Theorie eines bestimmten Gegenstandsbereichs.

Der axiomatische Ansatz findet auch in den Naturwissenschaften Anwendung (Mechanik, Optik, Thermodynamik usw.). Seine Einsatzmöglichkeiten sind jedoch begrenzt, da der Inhalt naturwissenschaftlicher Theorien durch Erfahrung begründet und korrigiert werden muss, und die experimentellen Daten nicht immer in das zuvor festgelegte axiomatische System passen.

Für erfahrungsbasierte Wissenschaften eignet sich eher die hypothetisch-deduktive Methode zur Theoriebildung. In diesem Fall werden die Ausgangsannahmen der Theorie nicht als Axiome, sondern als Hypothesen formuliert. Im Verlauf der Entwicklung der Theorie können neue Hypothesen und Begriffe hinzukommen. So entsteht eine hierarchische Struktur von Hypothesen unterschiedlicher Allgemeinheit. Aus ihnen werden deduktiv Schlüsse gezogen, die experimentell überprüfbar sein müssen.

Wissenschaftliche Hypothesen und Theorien müssen eine Reihe methodologischer Anforderungen erfüllen. Deren Einhaltung garantiert zwar nicht ihre Wahrheit, gibt ihnen jedoch zumindest das Recht, in der Wissenschaft zu existieren. Die wichtigsten Anforderungen sind:

1. Logische Widerspruchsfreiheit: Die Theorie darf keine inneren logischen Widersprüche enthalten.
2. Prinzipielle Überprüfbarkeit: Aus der Hypothese (Theorie) müssen Konsequenzen folgen, die experimentell überprüfbar sind. Andernfalls ist sie prinzipiell nicht überprüfbar, kann weder bestätigt („verifiziert“) noch widerlegt („falsifiziert“) werden. Mit nicht überprüfbaren Hypothesen kann die Wissenschaft nichts anfangen. Solche Hypothesen haben lediglich in anderen weltanschaulichen Systemen ihre Berechtigung, die auf dem Glauben und der Hoffnung des menschlichen Bewusstseins auf die Erfüllung seiner Wünsche beruhen.
3. Falsifizierbarkeit: Es muss prinzipiell möglich sein, die Hypothese zu widerlegen. Auf die Bedeutung dieses methodologischen Prinzips wies Karl Popper in den 1930er Jahren hin. Wenn experimentelle Daten nur die Hypothese bestätigen können und es keine Möglichkeit gibt, sie zu widerlegen, ist die Hypothese uninformativ. Beispielsweise tragen Hypothesen wie „Entweder Regen oder Schnee oder es passiert etwas oder nicht“ keinerlei Information.
4. Vorhersagekraft: Eine Hypothese (Theorie) soll nicht nur bereits bekannte Fakten erklären, sondern auch neue vorhersagen. Je mehr unbekannte Phänomene sie vorhersagt und je unwahrscheinlicher diese Vorhersagen erscheinen, desto größer ist ihre Vorhersagekraft und der potenzielle Wissenszuwachs. Hypothesen, die ausschließlich zur Erklärung eines bestimmten Phänomens konstruiert wurden und keine weiteren Konsequenzen erlauben, werden als ad hoc-Hypothesen bezeichnet. Sie erlauben keine unabhängige Überprüfung und liefern kein verlässliches Wissen.
5. Maximale Einfachheit: Einfachheit bedeutet die Fähigkeit der Hypothese oder Theorie, eine breite Palette von Phänomenen auf vergleichsweise wenigen Grundlagen zu erklären, ohne willkürliche ad hoc-Annahmen zu machen. Einfachheit ist verbunden mit logischer Eleganz, Schönheit und Anmut der Theorie. Die Bewertung nach diesem Kriterium ist relativ: Von mehreren Hypothesen (Theorien), die in anderen Kriterien gleichwertig sind, gilt die einfachere als vorzuziehen.
6. Kontinuität: Neue Ideen, Hypothesen und Theorien sollen aus dem vorhergehenden wissenschaftlichen Wissen hervorgehen, dessen Weiterentwicklung und Fortsetzung darstellen. Unter konkurrierenden neuen Ideen ist diejenige vorzuziehen, die am meisten Vorwissen bewahrt. So verlangt das Prinzip der Permanenz in der Mathematik (Hankel) und das Korrespondenzprinzip in der Physik (Bohr), dass die alte Theorie als Spezialfall oder Grenzfall in die neue integriert wird. Dies erklärt beispielsweise die Beziehung zwischen euklidischer und nicht-euklidischer Geometrie, geometrischer und Wellenoptik sowie klassischer und Quantenmechanik.

Da jede mathematische Theorie (Geometrie, Arithmetik usw.) selbst ein deduktiv aufgebautes logisches System ist, stellt sie ein fertiges Werkzeug für deduktive Schlussfolgerungen dar. Um sie jedoch erfolgreich in Natur- und Sozialwissenschaften anzuwenden, muss in jedem Fall die Übereinstimmung zwischen den Begriffen der mathematischen Theorie und den in den Wissenschaften untersuchten Objekten hergestellt werden. Die Beschreibung dieser Objekte muss in die mathematische Sprache übersetzt werden. Gelingt dies, wird die mathematische Theorie zu einem mächtigen und effektiven Werkzeug theoretischer Untersuchungen von Natur- und Gesellschaftsphänomenen.

Die Mathematisierung wissenschaftlich-theoretischen Wissens beginnt üblicherweise mit der Quantifizierung – der Ermittlung einfacher quantitativer Parameter und ihrer Beziehungen. Darauf aufbauend entsteht ein mathematisches Schema der zu untersuchenden Phänomene oder ein mathematisches Modell, das sich in Form von Funktionssystemen, Gleichungen, geometrischen Figuren oder Diagrammen ausdrücken lässt.

Mathematische Modelle ermöglichen es, nicht nur die quantitative Seite von Phänomenen theoretisch zu untersuchen, sondern auch viele qualitative, strukturelle und andere Eigenschaften. Mithilfe mathematischer Modelle können Schlüsse gezogen werden, die auf anderem Weg schwer oder gar nicht erreichbar sind. Die Übersetzung wissenschaftlicher Begriffe in die mathematische Sprache wird oft zu einem Instrument wissenschaftlicher Entdeckungen und zur Entwicklung grundlegend neuer Konzepte und Ideen. Klassisches Beispiel sind die Maxwell-Gleichungen der Physik, deren Interpretation zur Entwicklung der elektromagnetischen Feldtheorie führte.

Eine große heuristische Rolle in der theoretischen Erkenntnis spielt die Methode der mathematischen Hypothese. Dabei wird ein mathematischer Formalismus (Gleichung), der ein Phänomen beschreibt, als hypothetisches Schema zur Beschreibung eines anderen Phänomens verwendet. Der Formalismus wird dabei angepasst, und seine Symbole erhalten eine neue Interpretation. Ein Beispiel für eine mathematische Hypothese ist die Schrödinger-Gleichung in der Quantenmechanik, die das Verhalten eines Elektrons im elektrischen Feld beschreibt.